Em todo o mundo, as usinas hidrelétricas produzem cerca de 24% da eletricidade mundial e abastecem mais de 1 bilhão de pessoas. As usinas hidrelétricas do mundo produzem um total combinado de 675.000 megawatts, o equivalente a 3,6 bilhões de barris de petróleo, de acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável. Existem mais de 2.000 usinas hidrelétricas em operação nos Estados Unidos, tornando a energia hidrelétrica a maior fonte de energia renovável do país.
Neste artigo, veremos como a queda d'água gera energia e aprenderemos sobre o ciclo hidrológico que gera o fluxo de água essencial para a energia hidrelétrica. Você também conhecerá uma aplicação única da energia hidrelétrica que pode afetar sua vida diária.
Ao observar um rio correndo, é difícil imaginar a força que ele carrega. Se você já praticou rafting, já sentiu um pouco da força do rio. Corredeiras de corredeiras são criadas quando um rio, carregando uma grande quantidade de água morro abaixo, cria gargalos através de uma passagem estreita. À medida que o rio é forçado a passar por essa abertura, seu fluxo acelera. Inundações são outro exemplo da força que um enorme volume de água pode ter.
As usinas hidrelétricas aproveitam a energia da água e usam mecanismos simples para convertê-la em eletricidade. Na verdade, as usinas hidrelétricas baseiam-se em um conceito bastante simples: a água que flui por uma barragem aciona uma turbina, que por sua vez aciona um gerador.
Aqui estão os componentes básicos de uma usina hidrelétrica convencional:
O eixo que conecta a turbina e o gerador
Barragem – A maioria das usinas hidrelétricas depende de uma barragem que retém água, criando um grande reservatório. Frequentemente, esse reservatório é usado como um lago recreativo, como o Lago Roosevelt na Represa Grand Coulee, no estado de Washington.
Captação – As comportas da barragem se abrem e a gravidade puxa a água através da tubulação forçada, uma tubulação que leva à turbina. A água acumula pressão à medida que flui por essa tubulação.
Turbina – A água atinge e gira as grandes pás de uma turbina, que está acoplada a um gerador acima dela por meio de um eixo. O tipo mais comum de turbina para usinas hidrelétricas é a Turbina Francis, que se parece com um grande disco com pás curvas. Uma turbina pode pesar até 172 toneladas e girar a uma taxa de 90 rotações por minuto (rpm), de acordo com a Fundação para Educação em Água e Energia (FWEE).
Geradores – À medida que as pás da turbina giram, uma série de ímãs dentro do gerador também gira. Ímãs gigantes giram em torno de bobinas de cobre, produzindo corrente alternada (CA) ao mover elétrons. (Você aprenderá mais sobre como o gerador funciona mais adiante.)
Transformador – O transformador dentro da casa de força recebe a corrente alternada e a converte em corrente de alta voltagem.
Linhas de energia – De cada usina saem quatro fios: as três fases da energia produzidas simultaneamente, além de um neutro ou terra comum a todas as três. (Leia Como funcionam as redes de distribuição de energia para saber mais sobre a transmissão por linhas de energia.)
Escoamento – A água usada é transportada por meio de tubulações, chamadas canais de fuga, e retorna ao rio a jusante.
A água no reservatório é considerada energia armazenada. Quando as comportas se abrem, a água que flui pela tubulação forçada se transforma em energia cinética por estar em movimento. A quantidade de eletricidade gerada é determinada por diversos fatores. Dois deles são o volume do fluxo de água e a carga hidráulica. A carga hidráulica refere-se à distância entre a superfície da água e as turbinas. À medida que a carga e a vazão aumentam, a eletricidade gerada também aumenta. A carga hidráulica geralmente depende da quantidade de água no reservatório.
Existe outro tipo de usina hidrelétrica, chamada usina reversível. Em uma usina hidrelétrica convencional, a água do reservatório flui através da usina, sai e é transportada rio abaixo. Uma usina reversível possui dois reservatórios:
Reservatório superior – Assim como uma usina hidrelétrica convencional, uma barragem cria um reservatório. A água desse reservatório flui pela usina hidrelétrica para gerar eletricidade.
Reservatório inferior – A água que sai da usina hidrelétrica flui para um reservatório inferior em vez de entrar novamente no rio e fluir rio abaixo.
Utilizando uma turbina reversível, a usina pode bombear água de volta para o reservatório superior. Isso é feito fora do horário de pico. Essencialmente, o segundo reservatório reabastece o reservatório superior. Ao bombear água de volta para o reservatório superior, a usina tem mais água para gerar eletricidade durante os períodos de pico de consumo.
O Gerador
O coração da usina hidrelétrica é o gerador. A maioria das usinas hidrelétricas possui vários desses geradores.
O gerador, como você deve ter adivinhado, gera a eletricidade. O processo básico para gerar eletricidade dessa maneira consiste em girar uma série de ímãs dentro de bobinas de fio. Esse processo move elétrons, o que produz corrente elétrica.
A Represa Hoover possui um total de 17 geradores, cada um com capacidade para gerar até 133 megawatts. A capacidade total da usina hidrelétrica da Represa Hoover é de 2.074 megawatts. Cada gerador é composto por componentes básicos:
À medida que a turbina gira, o excitador envia uma corrente elétrica ao rotor. O rotor é composto por uma série de grandes eletroímãs que giram dentro de uma bobina de fio de cobre firmemente enrolada, chamada estator. O campo magnético entre a bobina e os ímãs cria uma corrente elétrica.
Na Represa Hoover, uma corrente de 16.500 amperes vai do gerador para o transformador, onde a corrente sobe até 230.000 amperes antes de ser transmitida.
As usinas hidrelétricas aproveitam um processo natural e contínuo — o processo que faz com que a chuva caia e os rios subam. Todos os dias, nosso planeta perde uma pequena quantidade de água através da atmosfera, à medida que os raios ultravioleta quebram as moléculas de água. Mas, ao mesmo tempo, nova água é emitida do interior da Terra por meio da atividade vulcânica. A quantidade de água criada e a quantidade de água perdida são praticamente as mesmas.
A qualquer momento, o volume total de água do mundo se apresenta em muitas formas diferentes. Pode ser líquida, como nos oceanos, rios e chuva; sólida, como nas geleiras; ou gasosa, como no vapor d'água invisível no ar. A água muda de estado à medida que se move pelo planeta por correntes de vento. As correntes de vento são geradas pela atividade de aquecimento do Sol. Os ciclos de correntes de ar são criados pelo Sol, que brilha mais no Equador do que em outras áreas do planeta.
Os ciclos das correntes de ar impulsionam o suprimento de água da Terra por meio de um ciclo próprio, chamado ciclo hidrológico. À medida que o sol aquece a água líquida, ela evapora em vapor no ar. O sol aquece o ar, fazendo com que ele suba na atmosfera. O ar é mais frio em altitudes mais elevadas, então, à medida que o vapor d'água sobe, ele esfria, condensando-se em gotículas. Quando gotículas suficientes se acumulam em uma área, elas podem se tornar pesadas o suficiente para cair de volta na Terra como precipitação.
O ciclo hidrológico é importante para as usinas hidrelétricas porque elas dependem do fluxo de água. Se houver falta de chuva perto da usina, a água não se acumulará rio acima. Sem água acumulada rio acima, menos água flui pela usina hidrelétrica e menos eletricidade é gerada.
A ideia básica da energia hidrelétrica é usar a força de um líquido em movimento para girar a pá de uma turbina. Normalmente, uma grande barragem precisa ser construída no meio de um rio para realizar essa função. Uma nova invenção está capitalizando a ideia da energia hidrelétrica em uma escala muito menor para fornecer eletricidade para dispositivos eletrônicos portáteis.
O inventor Robert Komarechka, de Ontário, Canadá, teve a ideia de instalar pequenos geradores hidrelétricos nas solas dos sapatos. Ele acredita que essas microturbinas gerarão eletricidade suficiente para alimentar praticamente qualquer dispositivo. Em maio de 2001, Komarechka recebeu a patente para seu dispositivo exclusivo, movido a pé.
Existe um princípio muito básico em como andamos: o pé se apoia do calcanhar aos dedos a cada passo. Ao tocar o chão, a força é exercida sobre o calcanhar. Ao se preparar para o próximo passo, você gira o pé para a frente, transferindo a força para a planta do pé. Komarechka aparentemente percebeu esse princípio básico da caminhada e desenvolveu uma ideia para aproveitar o poder dessa atividade cotidiana.
O “calçado com conjunto de gerador hidrelétrico” da Komarechka é composto por cinco partes, conforme descrito em sua patente:
Fluido – O sistema usará um fluido eletricamente condutor.
Bolsas para armazenar o fluido – Uma bolsa é colocada no calcanhar e outra na parte dos dedos do sapato.
Conduítes – Conduítes conectam cada saco a um microgerador.
Turbina – À medida que a água se move para frente e para trás na sola, ela move as pás de uma pequena turbina.
Microgerador – O gerador está localizado entre dois sacos cheios de fluido e inclui um rotor de palhetas, que aciona um eixo e gira o gerador.
À medida que a pessoa caminha, a compressão do fluido na bolsa localizada no calcanhar do calçado força o fluido através do conduíte até o módulo do gerador hidrelétrico. À medida que o usuário continua a caminhar, o calcanhar se levanta e uma pressão descendente é exercida sobre a bolsa sob a planta do pé. O movimento do fluido gira o rotor e o eixo para produzir eletricidade.
Uma tomada externa será fornecida para conectar fios a um dispositivo portátil. Uma unidade de saída de controle de energia também poderá ser fornecida para ser usada no cinto do usuário. Dispositivos eletrônicos poderão ser conectados a essa unidade de saída de controle de energia, que fornecerá um fornecimento constante de eletricidade.
“Com o aumento do número de dispositivos portáteis alimentados por bateria”, diz a patente, “há uma necessidade crescente de fornecer uma fonte elétrica duradoura, adaptável e eficiente”. Komarechka espera que seu dispositivo seja usado para alimentar computadores portáteis, celulares, tocadores de CD, receptores GPS e rádios bidirecionais.
Data de publicação: 21 de julho de 2022
